车身结构正面抗撞性设计--Front Anticollision Design for Car Body Structure

yizhijian

随着EuroNCAP和CNCAP在中国认知度的提升，人们对于车辆安全性的重视程度也越来越高。汽车安全性分为主动安全性和被动安全性。对于车身结构而言，其被动安全性研究主要包括车体抗撞性、行人保护及车室内部保护等内容。其中，车体抗撞性研究包括车身结构特性、车身材料、能量管理、波形控制等；本文仅对车身结构正面抗撞性设计过程做简要论述。

正面碰撞事故模式归类

通过实际事故调查分析，正面碰撞模式可以从碰撞接触形式、碰撞速度两方面进行划分，碰撞接触形式分为正面壁障、左倾斜左偏置、右倾斜右偏置、左倾斜右偏置、右倾斜左偏置等共计23种；碰撞速度主要分成10m/h、15m/h、22m/h、25m/h、30m/h、35m/h、40m/h七种等级。目前主机厂所能实现的碰撞形式只占实际事故的2%。

正面碰撞中的几个典型物理量，如能量、位移、速度、加速度等与时间的关系，以及它们之间的相互关系，构成了正面碰撞的各种动力学模式。为了分析需要，还需加入能量密度、能量当量速度、刚度、强度等概念。在概念设计及工程定义阶段，利用这些物理量寻找等量碰撞条件（不同碰撞速度与模式下具有相同的碰撞强度）建立伤害指标与碰撞强度的对应关系，实现车身结构设计参数的性能控制。

图1反映出了不同等级车辆在正面碰撞中的作用力与位移的复杂关系，为了考虑问题方便，图中将某大型豪华轿车的曲线抽象成一条直线。可以看到曲线与直线的积分面积非常接近，即外力做功非常接近，对于运动车辆与固定物体碰撞情况有以下公式：




图1  不同等级车辆在正面碰撞中的作用力与位移的关系
其中E1为碰撞前能量， V1为碰撞前速度，E2为碰撞后能量， V2为碰撞后速度， ω为角速度， EES为能量等效速度，W为变形能，Fmax为最大作用力，Dmax为最大变形量。

正面抗碰性能定义

通过全面、完整地对标分析，对所有车型从车辆基本参数、性能参数和乘员保护参数进行比较，确定目标车型的正面抗撞性能等级和车体抗撞性参数。主要包括以下主要参数：车辆总长、总宽、整备质量、发动机尺寸、发动机前后端尺寸、加速度波形质心、最大动态变形对应的时刻、最大动态变形和车辆前端刚度等。

正面碰撞性能概念设计

在概念设计阶段，为了快速确定各主要刚性区域的刚度特性，引入车体加速度波形拟合方法和多刚体系统动力学方法。对初始加速度非零的波形拟合采用平均方波ASW、等效方波ESW和尖顶等效方波TESW（见图2）；对初始加速度为零的波形拟合采用傅立叶等效波FEW、梯形近似波TWA、双梯度近似波BSA和半正弦波与半正矢正弦波。

图2  概念设计阶段的车体加速度波形拟合



在概念设计阶段利用多刚体系统动力学方法，实现概念阶段预期波形的再现。在多刚体碰撞模型中提取碰撞结构的相关参数，实现概念设计阶段车辆车体碰撞加速度、车辆结构尺寸的控制。

正面碰撞性能工程设计及仿真分析

实现车身及相关部件的设计，并通过CAE仿真分析对工程设计的合理性与有效性进行验证。根据不同碰撞法规和实际事故归类模式，进行不同工况下的设计和分析，实现保险杠骨架、碰撞缓冲器、前纵梁和车身地板的逐步逐级设计。在结构设计中，不仅要充分考虑车辆结构对碰撞载荷分布的影响，同时也要考虑在载荷路径上各种级别钢板材料的分布，（见图3）。在设计与分析过程中，充分考虑材料在高速冲击下应变率的影响、拉延对材料的影响、多参数优化、稳健性分析和灵敏度分析。对不同的碰撞模式采用不同的车身结构特性限值进行评价，评定车身结构性能等级。

图3  载荷路径上各种级别钢板材料的分布

正面碰撞性能设计验证和设计更改

当碰撞结果暴露出车辆结构设计和仿真分析中遗漏的问题时，需对车辆结构进行设计更改。在设计改进过程中，必须将结构设计及性能分析结合在一起，仅采取单方面的措施不能从本质上实现产品性能的最优化。

summer021

偶有接触碰撞，还是感觉比较高深呀